CN104745231B - 一种碳气热电联产的生物质热裂解系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，它包括一加热炉、一反应釜、一冷凝塔和一过滤装置，其中，所述反应釜的釜体位于所述加热炉的炉膛内；所述反应釜的出气端通过一管路连接所述冷凝塔的进气端，所述冷凝塔的出气端通过管路连接所述过滤装置的进气端。本发明配套设备齐全，过滤装置一个出气端通过管路分别连接燃气发电机组和用于燃气炉，另一个出气端通过管路连接燃气炉的炉膛，一方面可以使裂解出的燃气用于发电和用户炉，另一方面可以为燃气炉补充一部分燃气，提高利用率。

Description

一种碳气热电联产的生物质热裂解系统

技术领域

本发明涉及一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，属于生物质处理技术领域。

背景技术

生物质是由阳光、二氧化碳和水合成的产物，包括秸秆等农林废弃物。我国既是农业大国，又是林业大国，粮食作物有18亿亩，林地总面积45.6亿亩；我国每年林业生物质总量达180亿吨，其中采伐剩余物1.09亿吨、木材加工剩余物0.418亿吨、木材制品抛弃物0.6亿吨，这些林业剩余物折合标准煤约1.05亿吨。农作物秸秆加其它农业废弃物等生物质每年约计14亿吨，除做饲料、农肥外，还有少量做板材，剩余的80％左右农民自用烧掉和腐烂在地里。据统计，每吨秸秆在焚烧时将排放二氧化碳0.0011kg、二氧化硫0.067kg、一氧化碳0.0016kg、烟尘0.081kg，因此，当前较为普遍的秸秆焚烧将产生大量的污染，也常常会殃及交通的正常运行，我国每一年的秋冬季的40％以上的空气污染源来自农林业的生物质废弃物的直接燃烧。

生物质是一种可再生资源，其通过热裂解可以产生碳、燃气、焦油和生物质醋液，其中，碳、燃气和焦油是可再生的清洁能源，生物质醋液可以直接作为无公害、无污染的生物肥料、生物农药和或者医药工业的原材料，因此，生物质资源的利用是近年来全世界都非常关注的领域。

目前，现有技术中已有一些以生物质能源为原料的系统，例如中国专利CN202118925U公开了一种农林业的生物质热裂解用装置，现有的生物质能源利用系统普遍存在以下不足：一是设备配套不齐，难以形成产业系统，生产实践中不容易推广应用；二是产能低、效率低，不适应大生产的需要；三是个别设计不合理，如密封差、易变形、易泄漏等；四是有用物质回收率低、能源转化率低，效益不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种配套设备齐全、能源转化率高的碳气热电联产的生物质热裂解系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，它包括一加热炉、一反应釜、一冷凝塔和一过滤装置，其中，所述反应釜的釜体位于所述加热炉的炉膛内；所述反应釜的出气端通过一管路连接所述冷凝塔的进气端，所述冷凝塔的出气端通过管路连接所述过滤装置的进气端。

所述过滤装置设置有两个出气端，其中一所述出气端通过管路分别连接一燃气发电机组和一用户燃气炉，另一所述出气端通过管路连接所述加热炉底部的进气端。

所述加热炉包括一呈圆筒状且顶部开口的炉体，所述炉体的内部为炉膛，所述炉体的顶部内壁设置有一环形挡板；在所述炉体外壁的下部沿周向均匀设置有多个第一燃气烧嘴，在所述炉体外壁的中部沿周向均匀设置有多个第二燃气燃烧嘴，每一所述第一燃气烧嘴的头端垂直贯穿所述炉体的侧壁，每一所述第二燃气烧嘴的头端倾斜贯穿所述炉体的侧壁；在靠近所述炉体顶部的所述炉体侧壁上设置至少一个排烟窗。

所述反应釜的釜体呈圆筒状，所述釜体的底部为半球形，所述釜体的顶部密封连接一封盖，在所述封盖的中心设置一排气管；在所述釜体的内部垂直设置有一中心导热管和多个均匀分布在所述中心导热管周围的周边导热管；所述中心导热管上端封闭，下端固定连接在所述釜体底部的中心；所述周边导热管上端封闭，下端固定连接在所述釜体的底部。

所述冷凝塔包括一呈圆筒状且封闭的罐体，所述罐体的顶部和底部均为半球形；在所述罐体内上、下间隔设置两呈水平方向布置的管板，两所述管板之间连接有多个钢管，每一所述钢管的上、下两端分别穿出上、下所述管板以构成气体由下至上流通的通道；两所述管板与所述罐体的内壁、各所述钢管的外壁共同形成了冷却水水箱，在所述冷却水水箱的外壁上设置至上一个进水管和至少一个出水管；在位于所述冷却水水箱下方的所述罐体的侧壁上设置一呈水平方向布置的进气管，所述进气管的轴线不过所述罐体的中心；在所述罐体的底部设置有一排液管，所述排液管连接一醋液、焦油收集池；在所述罐体的顶部设置一排气管。

所述过滤装置包括一呈圆筒状的罐体，所述罐体上端开口、下端封闭且底部呈倒锥形，在所述罐体的顶端密封连接一半球形的封盖；在所述罐体上设置有一呈水平方向的进气管，所述进气管的轴线不过所述罐体的中心；在位于所述进气管上方的所述罐体的内壁固定连接两呈上、下间隔布置的不锈钢滤网，在两所述不锈钢滤网之间填充有过滤材料；在所述封盖的顶部设置一排气管；在所述罐体的倒锥形底部的最底端设置一排液管,所述排液管连接一醋液、焦油收集池。

所述环形挡板上间隔设置有多个弧形开口，每一所述弧形开口处堵置一防爆塞，所述防爆塞为上厚下薄、截面呈倒梯形的钢塞。

所述釜体底部的中心设置有一与所述中心导热管相连的通孔；在每一所述周边导热管的管体上布置多个散热孔；所述釜体的底部还设置一冷却气体进气管，所述冷却气体进气管外接氮气气源。

在位于所述冷凝塔的所述进气管上方的所述罐体内设置一月牙形挡板；位于所述冷却水水箱下方的所述罐体采用双层侧壁，双层所述侧壁之间形成下层水箱，所述下层水箱的外壁上设置有进水管和出水管。

在所述过滤装置的所述封盖的内侧固定连接一空气滤清器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明设置有一加热炉、一位于加热炉内的反应釜、一用于对热裂解气进行冷凝分离的冷凝塔和一用于进一步提升燃气纯度的过滤装置，因此配套设备齐全。2、本发明的过滤装置的一个出气端通过管路分别连接燃气发电机组和用于燃气炉，另一个出气端通过管路连接燃气炉的炉膛，一方面可以使裂解出的燃气用于发电和用户炉，另一方面可以为燃气炉补充一部分燃气，提高利用率。3、本发明的加热炉在下部垂直设置多个第一燃气烧嘴，在中部倾斜设置多个第二燃气烧嘴，这样在燃烧时有利于引导热气流由下炉膛向上炉膛做螺旋上升运动，从而有利于热量的均匀分布，进而提高加热炉的热效率。4、本发明的加热炉顶部设置有多个防爆塞，一旦发生燃气烧嘴点火障碍引起炉膛爆燃的情况时，防爆塞会在炉膛内的高压的冲击下弹起，从而使炉膛内及时减压，避免因炉膛内的高压冲击而损坏其它部件。5、本发明的加热炉的侧壁由两层钢板构成，两层钢板之间夹设有隔热层，一方面设置隔热层有利于提升炉体的加热效率，另一方面两层钢板的设置，也有利于增强炉体的坚固性，有利于保证操作人员的人身安全。6、本发明的反应釜在釜体底部固定有一个中心导热管和多个周边导热管，有利于大幅度提升热传导效率。7、本发明的反应釜在釜体底部中心设置有一通孔，这样可以使中心导热管与加热炉的炉膛连通，有利于将炉膛内的热能迅速传导至釜体的内部，进一步提高热效率。8、本发明的反应釜在每一周边导热管的管体上均匀布置多个散热孔，其具有两方面的作用，一方面，当利用外部加热炉对釜体进行加热时，周边导热管可以同时利用自身的金属导热性和内部产生的热气流同时向釜体内部散发热量，具有较好的导热效果；另一方面，散热孔也能够平衡周边导热管的内外热气流的压力，避免内外压力差对管体造成破坏。9、本发明的反应釜在釜体的底部设置一冷却气体进气管，冷却气体进气管可以外接氮气气源，当热裂解完成后，可以通过冷却气体进气管将氮气引入釜体内部，从而快速冷却内部物料，使物料能够快速出炉。10、本发明的冷凝塔在罐体的侧壁上设置一轴线不过罐体中心的进气管，使得进入罐体内的裂解气能够沿罐体内壁进行螺旋运动，从而消耗气体的能量，有利于气体快速冷凝出液态物质。11、本发明的冷凝塔的下部罐体采用双层侧壁，双层侧壁之间构成下层水箱，下水水箱的设置能够保证已经冷凝的液体不会因为后续进入罐体内的高温裂解气的影响而再次气化，从而提升冷凝效率。12、本发明的冷凝塔位于进气管的进气孔上方的罐体内设置一月牙形挡板，有利于进一步驱使进入罐体的气流形成螺旋式运动。13、本发明的过滤装置的罐体上设置有轴线不过罐体中心的进气管，进气管上方设置有两层不锈钢滤网，两层不锈钢滤网之间填充有过滤材料，因此，进入罐体内的燃气首先做有利于与液体成分分离的螺旋减速运动，然后进一步过滤掉焦油、生物质醋液和水分，以提升燃气的纯度。14、本发明的过滤装置在封盖的内侧紧固连接一空气滤清器，可以进一步滤掉燃气中的杂质，提升燃气的纯度。15、本发明的过滤装置，其罐体的底部呈倒锥形设置，排液管连接倒锥形的最底端，因此有利于对滤出液体成分进行收集，以便对焦油、生物质醋液和水分进行后续分离处理工序。16、本发明的加热炉、反应釜、冷凝塔和过滤装置均采用圆筒状结构，因此，具有较强的抗压能力，系统整体安全性能高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明加热炉的结构示意图；

图3是图2中A-A向的剖视示意图；

图4是图2中B-B向的剖视示意图；

图5是本发明反应釜的结构示意图；

图6是图5中A-A向的剖视示意图；

图7是图5中B-B向的剖视示意图；

图8是本发明冷凝塔的结构示意图；

图9是图8中A-A向的剖视示意图；

图10是图8中B-B向的剖视示意图；

图11是本发明过滤装置的外部结构示意图；

图12是本发明过滤装置的内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括一加热炉1、一反应釜2、一冷凝塔3和一过滤装置4。其中，反应釜2的釜体位于加热炉1的炉膛内，反应釜2的出气端通过管路连接冷凝塔3的进气端，冷凝塔3的出气端通过管路连接过滤装置4的进气端，过滤装置4设置有两个出气端，其中一个出气端通过管路分别连接一燃气发电机组和一用户燃气炉，另一个出气端通过管路连接位于加热炉1底部的进气端。

如图2～4所示，本发明的加热炉1包括一呈圆筒状且顶部开口的炉体11，炉体11的内部为炉膛，炉体11的底部设置有多个用于支撑炉体11的支脚12，炉体1的顶部内壁设置有一环形挡板13，环形挡板13的内口用于供反应釜2进出炉膛。在炉体11外壁的下部沿周向均匀设置多个第一燃气烧嘴14，每一燃气烧嘴14的头端垂直贯穿炉体11的侧壁，尾端连接燃气管道。在炉体11外壁的中部沿周向均匀设置多个第二燃气烧嘴15，每一第二燃气烧嘴15的头端倾斜贯穿炉体11的侧壁，尾端连接燃气管道。其中，第一燃气烧嘴14的数量大于或等于第二燃气烧嘴15的数量，使加热主要集中在反应釜2的底部。在靠近炉体11顶部的侧壁上设置有至少一个排烟窗16。

如图5～7所示，本发明的反应釜2包括一呈圆筒状的釜体21，釜体21的底部呈半球形，在釜体21的底部边缘均匀设置多个支脚22，釜体21的顶部通过法兰23密封连接一封盖24，在封盖24的顶部中心设置一排气管25作为排出热裂解气体的出气端。在釜体21的内部垂直设置有一中心导热管26和多个均匀分布在中心导热管26周围的周边导热管27。其中，中心导热管26的上端密闭，下端固定连接在釜体21底部的中心；周边导热管27的上端密闭，下端固定连接在釜体21的底部。为了保证导热效果，中心导热管26和周边导热管27均采用金属材质。

如图8～10所示，本发明的冷凝塔3包括一呈圆筒状且封闭的罐体31，罐体31的顶部和底部均设置为半球形。在罐体31内上、下间隔设置两呈水平方向布置的管板32，两管板32之间连接多个钢管33。每一钢管33的上、下两端分别穿出上、下管板32，构成了气体由下至上流通的通道。两管板32与罐体31的内壁、各钢管33的外壁共同形成了冷却水水箱34。在冷却水水箱34的外壁设置有至少一个进水管341和至少一个出水管342。在位于冷却水水箱34下方的罐体31的侧壁上设置一呈水平方向布置的进气管35，其中，进气管35的轴线不过罐体31的中心，使进入罐体31的气流能够贴罐体31的侧壁进行螺旋式运动。在罐体31的底部设置有一排液管36，排液管36连接一醋液、焦油收集池5，分离出的液体静置五天左右即可分开焦油和醋液。在罐体31顶部设置一排气管37作为排出热裂解气的出气端。

如图11、12所示，本发明的过滤装置4包括一呈圆筒状的罐体41，罐体41上端开口、下端封闭且底部呈倒锥形，在罐体41的底部设置有多个支脚49。在罐体41的顶端通过法兰密封连接一半球形的封盖42。在罐体41上设置有一呈水平方向的进气管43，进气管43的轴线不过罐体41的中心，使得通过进气管43进入罐体41的热裂解气体(燃气)能够沿着罐体1的内壁做螺旋减速运动。在位于进气管43上方的罐体41的内壁紧固连接两呈上、下间隔布置的不锈钢滤网44，在两不锈钢滤网44之间填充有过滤材料45，过滤材料45可以具体采用大木糠颗粒，其能够过滤掉热裂解气体(燃气)中的焦油、生物质醋液和水分。在封盖42的顶部设置一具有两个出气端的排气管46。在位于罐体41倒锥形底部的最底端设置一排液管47，排液管47连接另一醋液、焦油收集池5。

上述实施例中，如图2、图3所示，炉体11的侧壁采用内、外两层钢板夹设隔热层17的结构，其中，隔热层17可具体采用石棉。

上述实施例中，如图2所示，在环形挡板13上间隔设置多个弧形开口，每一弧形开口处堵置一防爆塞18，防爆塞18可以具体采用上厚下薄、截面呈倒梯形的钢塞。一旦发生燃气烧嘴14、15点火障碍引起炉膛爆燃的情况时，防爆塞18会在炉膛内的高压的冲击下弹起，从而使炉膛内及时减压，避免因炉膛内的高压冲击而损坏其它部件。

上述实施例中，釜体21底部中心设置有一通孔，通孔的直径与中心导热管26的内径相等，这样可以使中心导热管26与釜体21外部(加热炉1的炉膛)连通，有利于将炉膛内的热能迅速传导至釜体21的内部，提高热效率。

上述实施例中，可以在每一周边导热管27的管体上均匀布置多个散热孔，当利用外部加热炉1对釜体21进行加热时，周边导热管27同时利用自身的金属导热性和内部产生的热气流同时向釜体21内部散发热量，具有较好的导热效果；另一方面，散热孔也能够平衡周边导热管27的内外热气流的压力，避免内外压力差对管体造成破坏。

上述实施例中，如图5所示，在靠近釜体1底部的釜体1内壁上设置一层以上的连接架28，每一层连接架28包括数量与周边导热管27数量相等且在水平面内沿釜体21径向分布的槽钢，每一槽钢的一端与釜体21固定连接，另一端与中心导热管26固定连接，中部与周边导热管27固定连接。连接架28的设置，一方面能够起到加固导热管26、27的作用，另一方面有利于提高釜体21底部的热传导效率。

上述实施例中，如图5所示，釜体21的底部还可以设置一冷却气体进气管29，冷却气体进气管29可以外接氮气气源(图中未示出)，其作用是在热裂解完成之后，将氮气引入釜体21内部以快速冷却内部物料，从而使物料能够快速出炉，进而生物质生产的周转周期，提高生产效率。

上述实施例中，位于冷却水水箱34下方的罐体31可以采用双层侧壁，双层侧壁之间构成下层水箱38(如图8所示)，下层水箱38的外壁上设置有进水管381和出水管382。

上述实施例中，如图8所示，可以在位于进气管35的进气孔上方的罐体31内设置一月牙形挡板39，有利于进一步驱使进入罐体31的气流形成螺旋式运动。

上述实施例中，排气管37可以采用双出口，其中一个出口用于连接过滤装置4，另一个出口可以作为备用出口，或者作为泄压通道(当罐体31内气压过高时释放压力)以对装置起到保护作用。

上述实施例中，如图12所示，可以在封盖42的内侧紧固连接一空气滤清器48，其能够进一步滤除燃气中的杂质，以提升燃气的纯度。

本发明在使用时，可以先通过一成型机将生物质处理成统一密度(0.7～1.2)、相对统一的形状，之后将经处理后的生物质放进反应釜2内。再利用加热炉1对反应釜2进行加热，促使生物质热裂解，产生热裂解气。热裂解气经过冷凝塔3，冷凝出焦油、醋液和水分，之后进入过滤装置4，过滤装置4进一步滤出热裂解气中的液态物质，提升其燃气的纯度，经过过滤装置4过滤后的燃气可直接供燃气发电机组和用于燃气炉使用。另外，一部分燃气通过管路引回至加热炉1的炉膛，为加热炉1补充一部分燃料。本发明通过齐全的配套装置的连接，可以建成一个大型的、高能效、高转化率、低能耗的生物质能源供应系统。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，它包括一加热炉、一反应釜、一冷凝塔和一过滤装置，其中，所述反应釜的釜体位于所述加热炉的炉膛内；

所述反应釜的出气端通过一管路连接所述冷凝塔的进气端，所述冷凝塔的出气端通过管路连接所述过滤装置的进气端；

所述加热炉包括一呈圆筒状且顶部开口的炉体，所述炉体的内部为炉膛，所述炉体的顶部内壁设置有一环形挡板；在所述炉体外壁的下部沿周向均匀设置有多个第一燃气烧嘴，在所述炉体外壁的中部沿周向均匀设置有多个第二燃气燃烧嘴，每一所述第一燃气烧嘴的头端垂直贯穿所述炉体的侧壁，每一所述第二燃气烧嘴的头端倾斜贯穿所述炉体的侧壁；在靠近所述炉体顶部的所述炉体侧壁上设置至少一个排烟窗。

2.如权利要求1所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，所述过滤装置设置有两个出气端，其中一所述出气端通过管路分别连接一燃气发电机组和一用户燃气炉，另一所述出气端通过管路连接所述加热炉底部的进气端。

3.如权利要求1或2所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，所述反应釜的釜体呈圆筒状，所述釜体的底部为半球形，所述釜体的顶部密封连接一封盖，在所述封盖的中心设置一排气管；在所述釜体的内部垂直设置有一中心导热管和多个均匀分布在所述中心导热管周围的周边导热管；所述中心导热管上端封闭，下端固定连接在所述釜体底部的中心；所述周边导热管上端封闭，下端固定连接在所述釜体的底部。

4.如权利要求1或2所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，所述冷凝塔包括一呈圆筒状且封闭的罐体，所述罐体的顶部和底部均为半球形；在所述罐体内上、下间隔设置两呈水平方向布置的管板，两所述管板之间连接有多个钢管，每一所述钢管的上、下两端分别穿出上、下所述管板以构成气体由下至上流通的通道；两所述管板与所述罐体的内壁、各所述钢管的外壁共同形成了冷却水水箱，在所述冷却水水箱的外壁上设置至少一个进水管和至少一个出水管；在位于所述冷却水水箱下方的所述罐体的侧壁上设置一呈水平方向布置的进气管，所述进气管的轴线不过所述罐体的中心；在所述罐体的底部设置有一排液管，所述排液管连接一醋液、焦油收集池；在所述罐体的顶部设置一排气管。

5.如权利要求1或2所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，所述过滤装置包括一呈圆筒状的罐体，所述罐体上端开口、下端封闭且底部呈倒锥形，在所述罐体的顶端密封连接一半球形的封盖；在所述罐体上设置有一呈水平方向的进气管，所述进气管的轴线不过所述罐体的中心；在位于所述进气管上方的所述罐体的内壁固定连接两呈上、下间隔布置的不锈钢滤网，在两所述不锈钢滤网之间填充有过 滤材料；在所述封盖的顶部设置一排气管；在所述罐体的倒锥形底部的最底端设置一排液管,所述排液管连接一醋液、焦油收集池。

6.如权利要求1所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，所述环形挡板上间隔设置有多个弧形开口，每一所述弧形开口处堵置一防爆塞，所述防爆塞为上厚下薄、截面呈倒梯形的钢塞。

7.如权利要求3所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，所述釜体底部的中心设置有一与所述中心导热管相连的通孔；在每一所述周边导热管的管体上布置多个散热孔；所述釜体的底部还设置一冷却气体进气管，所述冷却气体进气管外接氮气气源。

8.如权利要求4所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，在位于所述进气管上方的所述罐体内设置一月牙形挡板；位于所述冷却水水箱下方的所述罐体采用双层侧壁，双层所述侧壁之间形成下层水箱，所述下层水箱的外壁上设置有进水管和出水管。

9.如权利要求5所述的一种碳气热电联产的生物质热裂解系统，其特征在于，在所述封盖的内侧固定连接一空气滤清器。